半导体激光器输出特性的影响因素.docx

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半导体激光器输出特性的影响因素

半导体激光器输出特性的影响因素

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ：

GaAlAs-GaAs材料适用于0.85μm波段，InGaAsP-InP材料适用于1.3~1.55μm波段。

温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。

1．

光功率

半导体激光器的输出光功率

其中I为激光器的驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；ηd为外微分量子效率；hf为光子能量；e为电子电荷。

hf、e为常数，Pth很小可忽略。

由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I、阈值电流Ith以及外微分量子效率ηd。

驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。

除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。

1）阈值电流

半导体激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示。

当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith表示。

当激励电流IIth时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I曲线是线性变化的。

对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。

阈值电流主要与下列影响因素有关：

a）晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。

b）谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。

c）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。

d）温度越高，阈值电流越大。

2）外微分量子效率

外微分量子效率ηd定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为

外微分量子效率代表了半导体激光器的电——光转换效率，它与内量子效率、载流子对有源区的注入效率、光在谐振腔内的损耗情况、谐振腔端面的反射系数和温度等因素有关。

它对应着P-I曲线线性部分的斜率。

3）温度

半导体激光器对温度很敏感，其输出功率随温度变化而变化。

温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：

一是激光器的阈值电流随温度升高而增大。

温度对阈值电流的影响，可用下式描述：

式中，I0表示室温下的阈值电流，T表示温度，T0称为特征温度（表示激光器对温度的敏感程度）。

一般InGaAsP的激光器，T0=50～80K；A1GaAs/GaAs的激光器，T0=100～150K。

二是外微分量子效率随温度升高而减小。

如GaAs激光器，绝对温度77K时，ηd约为50%；当绝对温度升高到300K时,ηd只有约30%。

2．光谱

半导体激光器的光谱随着驱动电流的变化而变化。

当驱动电流I＜阈值电流Ith时，发出的是荧光，光谱很宽，如图（a）所示。

当I＞Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图（b）所示。

当驱动电流达到阈值后，随着驱动电流的增大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。

当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模。

此外，温度也会影响半导体激光器的光谱。

随着温度的升高，半导体的禁带宽度变小，将导致整个光谱向长波长方向移动。

3．激光束的空间分布

激光束的空间分布用近场和远场来描述。

近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。

近场和远场是由谐振腔（有源区）的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于PN结平面的厚度t所决定的，并称为激光器的横模。

平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。